Diese Grafik veranschaulicht die Lithium-vermittelte N-Umwandlung2 mit Ammoniak. Abgebildet ist eine Symphonie von Reaktionen, die auf elektrolytisch abgeschiedenem Lithium (schwarze Kacheln) ablaufen. Unter hohem Druck wird Stickstoff (unter Hinzufügung blauer Blöcke) an Lithium chemisorbiert, gefolgt von einer Protonierung (unter Hinzufügung weißer Blöcke) zur Bildung von NHx, was letztendlich zur Gewinnung von Ammoniak und Lithium führt. Der zyklische Prozess erzeugt einen katalytischen Rhythmus, bei dem Ammoniak entsteht. Diese Forschung unterstreicht die Bedeutung von Druck und Potenzial für die Steuerung der Struktur und Stabilität der Festelektrolyt-Grenzfläche für die Ammoniaksynthese. Bildnachweis: Crystal Price und Joseph Gauthier, Texas Tech University; Meenesh Singh, University of Illinois in Chicago
Von den vielen Chemikalien, die wir täglich verwenden, ist Ammoniak eine der schädlichsten für die Atmosphäre. Die stickstoffbasierte Chemikalie, die in Düngemitteln, Farbstoffen, Sprengstoffen und vielen anderen Produkten verwendet wird, steht bei den Kohlenstoffemissionen nach Zement an zweiter Stelle, da für ihre Herstellung hohe Temperaturen und Energie erforderlich sind.
Doch durch die Verbesserung einer bekannten elektrochemischen Reaktion und die Orchestrierung einer „Symphonie“ aus Lithium-, Stickstoff- und Wasserstoffatomen haben Ingenieure der University of Illinois in Chicago unter der Leitung von Meenesh Singh ein neues Verfahren zur Herstellung von Ammoniak entwickelt, das mehrere ökologische Ziele erfüllt .
Der als Lithium-Ammoniak-Synthese bezeichnete Prozess kombiniert Stickstoffgas und eine Wasserstoffspenderflüssigkeit wie Ethanol mit einer geladenen Lithiumelektrode. Anstatt die Stickstoffgasmoleküle bei hoher Temperatur und hohem Druck aufzubrechen, bleiben die Stickstoffatome am Lithium haften und verbinden sich dann mit dem Wasserstoff zum Ammoniakmolekül.
Die Reaktion läuft bei niedrigen Temperaturen ab und ist zudem regenerativ, da sie bei jedem Ammoniakproduktionszyklus die ursprünglichen Materialien wiederherstellt.
„Es treten zwei Kreisläufe auf. Der eine ist die Regeneration der Wasserstoffquelle und der zweite die Regeneration des Lithiums“, sagte Singh, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der UIC. „Dieser Reaktion liegt aufgrund des zyklischen Prozesses eine Symphonie zugrunde. Wir haben diese Symphonie besser verstanden und versucht, sie auf sehr effektive Weise zu modulieren, sodass wir eine Resonanz erzeugen und sie schneller bewegen können.“
Der Prozess wird in einem veröffentlichten Artikel beschrieben und auf dem Cover von dargestellt ACS Angewandte Materialien und Schnittstellenist die neueste Innovation aus Singhs Labor auf der Suche nach saubererem Ammoniak. Zuvor hatte seine Gruppe Methoden zur Synthese der Chemikalie mithilfe von Sonnenlicht und Abwasser entwickelt und ein elektrifiziertes Kupfermaschensieb geschaffen, das den Energiebedarf für die Herstellung von Ammoniak reduzierte.
Ihr jüngster Vorstoß basiert auf einer Reaktion, die kaum neu ist. Wissenschaftler wissen das seit fast einem Jahrhundert.
„Der auf Lithium basierende Ansatz findet sich in jedem Lehrbuch der organischen Chemie. Er ist sehr bekannt“, sagte Singh. „Aber unser Beitrag bestand darin, sicherzustellen, dass sich dieser Zyklus effizient und selektiv entfaltet, um wirtschaftlich realisierbare Ziele zu erreichen.“
Zu diesen Zielen gehören eine hohe Energieeffizienz und niedrige Kosten. Bei einer Ausweitung würde der Prozess laut Singh Ammoniak für etwa 450 US-Dollar pro Tonne produzieren, was 60 Prozent billiger wäre als frühere Ansätze, die auf Lithium und anderen vorgeschlagenen umweltfreundlichen Methoden basieren.
Aber auch Selektivität ist wichtig, denn viele Versuche, die Ammoniakproduktion sauberer zu gestalten, führten letztendlich zur Entstehung großer Mengen unerwünschten Wasserstoffgases.
Die Ergebnisse der Singh-Gruppe gehören zu den ersten, die ein Niveau an Selektivität und Energieverbrauch erreichen, das den Standards des Energieministeriums für die Ammoniakproduktion im industriellen Maßstab entsprechen könnte. Singh sagte auch, dass der Prozess, der in einem modularen Reaktor durchgeführt werden kann, noch umweltfreundlicher gemacht werden kann, indem man ihn mit Strom aus Sonnenkollektoren oder anderen erneuerbaren Quellen versorgt und die Reaktion mit Luft und Wasser antreibt.
Das Verfahren könnte auch dazu beitragen, ein weiteres Energieziel zu erreichen: die Nutzung von Wasserstoff als Kraftstoff. Das Erreichen dieses Ziels wurde durch Schwierigkeiten beim Transport dieser leicht brennbaren Flüssigkeit erschwert.
„Man möchte, dass der Wasserstoff erzeugt, transportiert und an Wasserstoffpumpstationen geliefert wird, wo der Wasserstoff in Autos eingespritzt werden kann. Aber das ist sehr gefährlich“, sagte Singh. „Ammoniak könnte als Wasserstoffträger dienen. Der Transport ist sehr günstig und sicher, und am Zielort kann man das Ammoniak wieder in Wasserstoff umwandeln.“
Derzeit arbeiten die Wissenschaftler mit General Ammonia Co. zusammen, um ihren Lithium-basierten Ammoniaksyntheseprozess in einer Anlage im Raum Chicago zu testen und zu skalieren. Das UIC-Büro für Technologiemanagement hat das Verfahren zum Patent angemeldet.
Mehr Informationen:
Nishithan C. Kani et al., Weg zur energieeffizienten und skalierbaren Li-vermittelten Ammoniaksynthese, ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen (2024). DOI: 10.1021/acsami.3c19499
Zur Verfügung gestellt von der University of Illinois in Chicago
Zitat: Ingenieure „symphonisieren“ die Produktion von saubererem Ammoniak (1. April 2024), abgerufen am 1. April 2024 von https://phys.org/news/2024-04-symphonize-cleaner-ammonia-produktion.html
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